第05章 细胞生物反应器(二)

罐的全容积
V0 = V + 2V2 = 4 D [H0 + 2(hb + 1 D)] 1 6
π
2
发酵罐总高度
H = H0 + 2(ha +hb )
液柱高度： 液柱高度：
H L = H 0η′ + ha + hb 式中 η′：装料高度与圆柱部分高度的比例
装料容积
V =V1η′ +V2 = π D2 (H0η′ + hb + 1 D) 4 6
达到充分湍流之后， 增加， 当ReM ＞104，达到充分湍流之后， ReM增加， 搅拌功率P 虽然将随之增大， 保持不变， 搅拌功率 0虽然将随之增大，但NP保持不变，即 施加于单位体积液体的外力与其惯性力之比为常 数，此时
P0 = KD5N3ρ
2、多只涡轮在不通气条件下输入搅拌液体 、 的功率计算
第五节 细胞生物反应器 的设计计算
一、机械搅拌发酵罐的设计
机械搅拌发酵罐主要由搅拌装置、 机械搅拌发酵罐主要由搅拌装置、轴封和罐 体三部分组成。 体三部分组成。 搅拌装置：由传动装置、搅拌轴、 搅拌装置：由传动装置、搅拌轴、搅拌器组成 , 由电动机和皮带传动驱动搅拌轴使搅拌器按照一 以实现搅拌的目的。 定的转速旋转 ,以实现搅拌的目的。 以实现搅拌的目的 轴封： 轴封：为搅拌罐和搅拌轴之间的动密封 ,以封 以封 住罐内的流体不致泄漏。 住罐内的流体不致泄漏。 罐体：罐体、加热装置及附件。 罐体：罐体、加热装置及附件。它是盛放反应 物料和提供传热量的部件。 物料和提供传热量的部件。
D2 Nρ m
)
不通气时搅拌器输入液体的功率（ 式中 P0：不通气时搅拌器输入液体的功率（瓦） ρ：液体的密度（公斤/米3） ：液体的密度（公斤 米 ：液体的粘度（牛.秒/米2） ：液体的粘度（ 秒 米 D：涡轮直径（米） ：涡轮直径（ N：涡轮转数（转/秒） ：涡轮转数（ 秒 K，m：决定于搅拌器的型式，挡板的尺寸及流体的 ， ：决定于搅拌器的型式， 流态
V = πH0 D 1
1 4
2
封头的容积的计算 椭圆形封头的容积可查手册或按下式计算： 椭圆形封头的容积可查手册或按下式计算：
V2 = 4 D hb + 6 D ha = 4 D (hb + 1 D) 6
π
2
π
2
π
2
式中 ha : 椭圆短半轴长度，对标准椭圆型封头ha = 1 D 4 hb : 椭圆封头的直边高度 D :个无因次数，可定义为功率
准数N 准数 P。该准数表征着机械搅拌所施与单位体 积被搅拌液体的外力与单位体积被搅拌液体的 惯性之比。 惯性之比。
NP =
单 体 液 所 外 位 积 体 受 力 单 体 液 的 性 位 积 体 惯 力
=
P /ωV 0 ma/V
式中 ω：涡轮线速度 ： a：加速度 ： V：液体体积 ： m：液体质量 ：
二、搅拌器轴功率的计算
搅拌器输入搅拌液体的功率： 搅拌器输入搅拌液体的功率：是指搅拌器以 既定的速度旋转时， 既定的速度旋转时，用以克服介质的阻力所需的 功率，简称轴功率。 功率，简称轴功率。它不包括机械传动的摩擦所 消耗的功率， 消耗的功率，因此它不是电动机的轴功率或耗用 功率。 功率。 发酵罐液体中的溶氧速率以及气液固相的混 合强度与单位体积液体中输入的搅拌功率有很大 关系。 关系。
(4)通过燃烧热进行计算 通过燃烧热进行计算
根据赫斯定律：热效应决定于系统的初态和终态， 根据赫斯定律：热效应决定于系统的初态和终态， 而与变化的途径无关。反应的热效应， 而与变化的途径无关。反应的热效应，等于产物的生成 热的总和减去作用物的生成热的总和。 热的总和减去作用物的生成热的总和。
2、冷却面积的计算 、
取发酵罐的公称容积为250 m3，则每日需要 则每日需要6 取发酵罐的公称容积为 个发酵罐。 个发酵罐。 发酵周期为4天 考虑放罐洗罐等辅助时间， 发酵周期为 天，考虑放罐洗罐等辅助时间， 整个周期为5天 整个周期为 天，则所需发酵罐的总数 =5×6+1=31 个 ×
2、结构尺寸的计算 、 根据已确定的发酵罐 公称容积，可由下式计算 公称容积， 发酵罐圆柱体的直径。 发酵罐圆柱体的直径。
使用多个涡轮时，两涡轮间的距离 ， 使用多个涡轮时，两涡轮间的距离S，则
对非牛顿型流体S可取为 对非牛顿型流体 可取为2D 可取为 对牛顿型流体S可取 对牛顿型流体 可取2.5~3.0D 可取 静液面至上涡轮的距离可取0.5~2D 静液面至上涡轮的距离可取 下涡轮至罐底的距离C可取 下涡轮至罐底的距离 可取0.5~1.0D 可取
(3)通过生物合成进行计算 通过生物合成进行计算
发酵过程中的热量包括发酵过程散发热和搅拌热。 发酵过程中的热量包括发酵过程散发热和搅拌热。 总发酵热可按下式计算： 总发酵热可按下式计算：
搅拌器所产生的热量可用下列近似公式计算: 搅拌器所产生的热量可用下列近似公式计算
汽化热Q 的计算： 汽化热 3的计算：
通过冷却水带走的热量进行计算 通过发酵液的温度升高进行计算 通过生物合成热进行计算 通过燃烧热进行计算
(1)通过冷却水带走的热量进行计算 通过冷却水带走的热量进行计算
根据工艺设计的要求，选定同类型的发酵罐， 根据工艺设计的要求，选定同类型的发酵罐，于气温 最热的季节，选择主发酵期产生热量最快最大的时刻， 最热的季节，选择主发酵期产生热量最快最大的时刻，测 定冷却水进口的水温及冷却水出口的水温， 定冷却水进口的水温及冷却水出口的水温，并测定此时每 小时冷却水的用量，按下式计算单位体积发酵液每小时传 小时冷却水的用量， 给冷却器的最大热量。 给冷却器的最大热量。
发酵罐的容积装料系数
η=
V V0
（三）附属结构的计算
挡板数量和尺寸计算
搅拌器的设计计算
首先根据生产菌种和 发酵类型选定搅拌器的类 型，再从已计算出的发酵 罐的直径计算搅拌器相应 的结构尺寸。 的结构尺寸。
（四）冷却面积的计算
1、发酵过程的热量计算 、 通常以一年中最热的半个月中每小时放出的热 量作为设计冷却面积的根据。 量作为设计冷却面积的根据。 发酵过程中放出热 量的计算方法有： 量的计算方法有：
(2)通过发酵液的温度升高进行计算 通过发酵液的温度升高进行计算
于气温最热的季节选择主发酵期产生热量最快最大的 时刻，通过罐温的自动控制，先使罐温达到恒定， 时刻，通过罐温的自动控制，先使罐温达到恒定，关闭 冷却水，观察罐内发酵液在半小时内上升的温度， 冷却水，观察罐内发酵液在半小时内上升的温度，再换 算为一小时内上升的温度， 算为一小时内上升的温度，则可按下式计算出单位体积 发酵液每小时放出最大热量的近似值。 发酵液每小时放出最大热量的近似值。
（一）设计内容和步骤
设备本体的设计： 设备本体的设计：
罐体的设计 筒体的设计、 筒体的设计、计算 封头的设计、 封头的设计、计算 罐体压力试验时应力校核及容积验算 附件的设计选取 接管尺寸的选择 法兰的选取 开孔及开孔补强 人孔及其它 传热部件的计算 挡板、中间支承、 挡板、中间支承、扶梯的选取
搅拌装置的设计： 搅拌装置的设计：
Q ω ∝ ND ， V ∝ D
3
∴
Q
P0 ωV m V ma V
∝
P0 ND 4
= ρ， a = ∝ ρN D
2 P0 / ND 4
ω2
r
，a ∝
P0
N 2D2 D
∴
∴ NP =
ρN D
2
=
ρN 3 D 5
搅拌功率准数N 搅拌功率准数 P的求解 搅拌功率准数N 是搅拌雷诺数Re 的函数。 搅拌功率准数 P是搅拌雷诺数 M的函数。
0.56
）
0.45
福田秀雄在100升至 升至42000升的系列设备里，对 升的系列设备里， 福田秀雄在 升至 升的系列设备里 迈凯尔关系式进行了校正， 迈凯尔关系式进行了校正，得
P = f( g
P2 ND3 0 Q
0.08
)
将多组实验数据分别标出 ( Q0.08 ) 与实测的对 应的Pg在双对数坐标上标绘 在双对数坐标上标绘。 应的 在双对数坐标上标绘。
传动装置的设计 搅拌轴的设计 联轴器的选取 轴承的选取及其轴承寿命的核算 密封装置的选取 搅拌器的设计 搅拌轴的临界转速
设备的强度及稳定性检验
设备承受各种载荷的计算 设备重量载荷的计算 设备地震弯矩的计算 偏心载荷的计算 塔体强度及稳定性检验 裙座的强度计算及校核 裙座计算 基础环的计算 地脚螺栓计算 裙座与筒体对接焊缝验算
迈凯尔用六平叶涡轮将空气分散于液体中， 迈凯尔用六平叶涡轮将空气分散于液体中，测 量其输出功率，在双对数坐标上将Pg标绘成涡 量其输出功率，在双对数坐标上将 标绘成涡 轮直径D、转速、空气流量Q和P0的函数，得出 轮直径 、转速、空气流量 和 的函数， 以下关系式： 以下关系式：
P = C( g
P2 ND3 0 Q
（一）牛顿流体中的搅拌功率
1、单只涡轮在不通气条件下输入搅拌液体 、 的功率的计算
一个具体的搅拌器所输入搅拌液体的功率取 决于下列因素： 决于下列因素： 叶轮和罐的相对尺寸 搅拌器的转速 流体的性质 挡板的尺寸和数目
全挡板条件下，通过因次分析， 全挡板条件下，通过因次分析，得：
P0
ρN D
3
5
= K(
P2 N 3 D 0
图中的直线斜率为0.39，截距为2.4× 10-3 ，截距为 × 图中的直线斜率为
由此得出迈凯尔的修正关系式
P = 2.25( g
2 3 P ND 0 0.08
Q
)
0.39
×10
3
（二）非牛顿流体中搅拌功率的计算
常见的某些发酵液具有明显的非牛顿流体特 这一特性对发酵过程的影响极大， 性。这一特性对发酵过程的影响极大，对搅拌功 率的计算也带来麻烦。 率的计算也带来麻烦。 牛顿型流体：用水解糖液、糖蜜等原料做培养 牛顿型流体：用水解糖液、 液的细菌醪、酵母醪；直接用淀粉、 液的细菌醪、酵母醪；直接用淀粉、豆饼粉配料 的低浓度细菌醪或酵母醪接近于牛顿型流体。 的低浓度细菌醪或酵母醪接近于牛顿型流体。 非牛顿型流体：霉菌醪、放线菌醪。 非牛顿型流体：霉菌醪、放线菌醪。